Proceso de producción de alcohol microbiano.

Un método para convertir ácido(s) a alcohol(es) correspondiente(s) usando un cultivo microbiano en presencia de un sustrato que comprende CO o CO y H2,

comprendiendo dicho método;

a. cultivar en un biorreactor una o más cepas de bacterias carboxidotróficas en presencia de dicho sustrato para producir uno o más ácidos y opcionalmente uno o más alcoholes, y

b. perturbar el cultivo microbiano, de manera que al menos una parte del cultivo microbiano se cambie de una fase esencialmente de producción a una fase esencialmente de conversión, por lo cual al menos una parte de al menos uno de los uno o más de dichos ácidos se convierte a su alcohol correspondiente; y

c. recuperar al menos una parte de los alcoholes.

Proceso de producción de alcohol microbiano Campo La presente invención se refiere a la producción de alcoholes desde sus ácidos correspondientes mediante fermentación microbiana, por fermentación microbiana de sustratos que comprenden CO.

Antecedentes Los alcoholes son de uso en muchas industrias que incluyen las industrias del perfume, farmacéutica y del combustible. Etanol y butanol, por ejemplo, están convirtiéndose rápidamente en combustibles de transporte líquido principales alrededor del mundo. Los procesos para la producción de varios alcoholes se conocen. La producción de alcohol industrial es en gran parte sintética, derivando de procesos petroquímicos. Sin embargo, la fermentación microbiana puede usarse también para producir alcoholes, por ejemplo, biocombustibles, y está volviéndose cada vez más popular.

Los biocombustibles para transporte son sustitutos atractivos para la gasolina y están penetrando rápidamente los mercados de combustible como mezclas de baja concentración. Los biocombustibles, derivados de fuentes vegetales naturales, son más sostenibles medioambientalmente que los derivados de recursos fósiles (tales como gasolina) , permitiendo su uso una reducción en los niveles del denominado gas de dióxido de carbono fósil (CO2) que se libera a la atmósfera como resultado de la combustión del combustible. Además, los biocombustibles pueden producirse localmente en muchas geografías, y pueden actuar para reducir la dependencia de los recursos de energía fósil importados. Los alcoholes adecuados para usar como biocombustibles incluyen etanol, butanol y 2, 3butanodiol, entre otros.

El etanol está convirtiéndose rápidamente en un combustible de transporte líquido rico en hidrógeno principal alrededor del mundo. El consumo mundial de etanol en 2005 fue de 12, 2 billones de galones (55 billones de litros) estimados. El mercado global para la industria de etanol combustible se ha predicho además que continuará creciendo bruscamente en el futuro, debido a un interés creciente en etanol en Europa, Japón, los EE.UU. y varias naciones en desarrollo.

Por ejemplo, en los EE.UU., el etanol se usa para producir E10, una mezcla al 10% de etanol en gasolina. En mezclas E10, el componente de etanol actúa como un agente oxigenante, mejorando la eficiencia de combustión y reduciendo la producción de contaminantes del aire. En Brasil, el etanol satisface aproximadamente el 30% de la demanda de combustible de transporte, tanto como un agente oxigenante mezclado en la gasolina, o como un combustible puro en su propio derecho. Además, en Europa, los intereses medioambientales que rodean las consecuencias de las emisiones de Gas Invernadero (GHG) han sido el estímulo para que la Unión Europea imponga a los estados miembros un resultado bajo mandato para el consumo de biocombustibles de transporte sostenibles.

También puede usarse el butanol como un combustible en un motor de combustión interna. Es de varias formas más similar a la gasolina que lo es al etanol. Como el interés en la producción y aplicación de combustibles medioambientalmente sostenibles se ha reforzado, el interés en procesos biológicos para producir butanol (a menudo denominado como bio-butanol) ha aumentado. El butanol puede producirse por fermentación microbiana de biomasa a partir de cultivos tales como remolacha azucarera, maíz, trigo y caña de azúcar. Sin embargo, el coste de estas existencias de alimento de carbohidratos está influido por su valor como alimento humano o alimento animal y el cultivo de cultivos productores de almidón o sacarosa para la producción de butanol no es económicamente sostenible en todas las geografías. Por lo tanto, es de interés desarrollar tecnologías para convertir fuentes de carbono menos costosas y/o más abundantes en butanol combustible.

Las bacterias anaeróbicas, tal como las del género Clostridium, se ha demostrado que producen etanol desde CO, CO2 y H2 por medio de la ruta bioquímica de acetil CoA. Por ejemplo, varias cepas de Clostridium ljungdahlii que producen etanol de gases se describen en los documentos WO 00/68407, EP 117309, Patentes de EE.UU. núms. 5.173.429, 5.593.886 y 6.368.819, WO 98/00558 y WO 02/08438. La bacteria Clostridium autoethanogenum sp se conoce también por producir etanol desde gases (Abrini et al, Archives of Microbiology 161, págs. 345-351 (1994) ) .

Sin embargo, la producción de etanol mediante microorganismos por fermentación de gases está asociada típicamente con coproducción de acetato y/o ácido acético. Ya que algún carbono disponible se convierte en acetato/ácido acético en vez de etanol, la eficiencia de producción de etanol usando dichos procesos de fermentación puede ser menor de la deseable. Además, a menos que el subproducto de acetato/ácido acético pueda usarse para algún otro propósito, puede plantear un problema de eliminación de residuos. El acetato/ácido acético se convierte a metano por los microorganismos y por lo tanto tiene el potencial de contribuir a las emisiones de GHG. Otros productos de desecho, tal como ácido butírico/butirato pueden producirse también durante los procesos de fermentación usados normalmente.

Además, los procesos de fermentación biológica, que utilizan típicamente levadura o bacterias, pueden estar limitados a la producción de uno o dos alcoholes que un organismo particular es capaz de producir desde el sustrato en que está creciendo (por ejemplo, un carbohidrato o gas que comprende monóxido de carbono) . Si se desea producir un alcohol diferente, un microorganismo diferente puede necesitarse que se consiga. En muchos casos, uno puede no ser capaz de conseguir unas bacterias capaces de producir el alcohol deseado. Por lo tanto, es de interés desarrollar tecnologías para convertir recursos de carbono de menor coste y/o más abundantes tal como ácidos orgánicos, en productos deseables, tal como etanol combustible.

Los procesos para la conversión microbiana de ácidos a sus alcoholes correspondientes se han descrito previamente: Patente de EE.UU. 4.851.344; White y Simon, Arch Microbiol (1992) 158: 81-84; Huber et al, Arch Microbiol (1995) 164: 110-118. Sin embargo, estos métodos también padecen un número de desventajas. Por ejemplo, necesitan el uso de mediadores químicos muchos de los cuales son tóxicos y/o caros. Además, los métodos usan extractos celulares, o células aisladas que están latentes y se necesita que se desactiven y resuspendan en tampón antes de la conversión de los ácidos a alcoholes. Estas etapas de procesado son de trabajo intensivo y aumentan el riesgo de que los microbios se expongan al oxígeno, se lisen o se dañen de otra forma.

La presente invención proporciona procesos para producir alcoholes valiosos por fermentación bacteriana anaeróbica que superan ciertas desventajas de los métodos conocidos en la técnica, o al menos proveen al público con una elección útil.

Resumen de la invención En un amplio aspecto, la invención proporciona un método para convertir un ácido a su alcohol correspondiente usando bacterias metabólicamente activas creciendo en un sustrato que comprende monóxido de carbono y/o hidrógeno.

En realizaciones particulares, el método incluye:

a. cultivar en un biorreactor, una o más cepas de unas bacterias carboxidotróficas en presencia de un sustrato que comprende CO para producir uno o más ácidos y opcionalmente uno o más alcoholes; y

b. perturbar el cultivo microbiano, de manera que al menos un ácido se convierte a al menos un alcohol.

Típicamente, al menos una parte del (de los) ácido (s) producido (s) en la etapa (a) se convierte (n) a alcohol (es) en la etapa (b) . Adicionalmente o alternativamente, puede añadirse ácido adicional al biorreactor durante la etapa (a) y/o etapa (b) y convertirse a al menos un alcohol.

En ciertas realizaciones, perturbar el cultivo microbiano incluye uno o más de:

 alterar el pH de un medio nutriente líquido que contiene el cultivo microbiano;

 alterar el ORP de un medio nutriente líquido que contiene el cultivo microbiano;

 añadir uno o más ácidos al biorreactor;

 añadir uno o más agentes reductores al biorreactor;

 alterar la concentración de CO en un medio nutriente líquido que contiene el cultivo microbiano;

 alterar la presión parcial de CO en el biorreactor, en donde el sustrato que comprende CO es gaseoso.

En realizaciones particulares, la etapa de alterar la concentración de CO incluye aumentar la concentración de CO en el medio nutriente líquido en al menos 1 mmol.

En otro amplio aspecto, la invención proporciona un método para la producción de un alcohol,... [Seguir leyendo]

1. Un método para convertir ácido (s) a alcohol (es) correspondiente (s) usando un cultivo microbiano en presencia de un sustrato que comprende CO o CO y H2, comprendiendo dicho método;

a. cultivar en un biorreactor una o más cepas de bacterias carboxidotróficas en presencia de dicho sustrato para producir uno o más ácidos y opcionalmente uno o más alcoholes, y

b. perturbar el cultivo microbiano, de manera que al menos una parte del cultivo microbiano se cambie de una fase esencialmente de producción a una fase esencialmente de conversión, por lo cual al menos una parte de al menos uno de los uno o más de dichos ácidos se convierte a su alcohol correspondiente; y

c. recuperar al menos una parte de los alcoholes.

2. El método según la reivindicación 1, en donde la concentración de H2 en el sustrato es menor que 40% en volumen.

3. El método según la reivindicación 1, en donde las bacterias se seleccionan del grupo que consiste en Clostridium, Moorella, Pyrococcus, Eubacterium, Desulfobacterium, Carboxydothermus, Acetogenium, Acetobacterium, Acetoanaerobium, Butyribacterium y Peptostreptococcus.

4. El método según la reivindicación 1, en donde las bacterias carboxidotróficas tienen todas las características definidas de la cepa Clostridium autoethanogenum depositada en el Centro de Recursos Alemán para Material Biológico (DSMZ) bajo el número de depósito de identificación DSMZ 10061.

5. El método según la reivindicación 1, en donde el uno o más ácidos de la etapa (a) se producen de forma continua, y, el uno o más ácidos se convierten de forma continua al alcohol correspondiente en la etapa (b) .

6. El método según la reivindicación 1, en donde dicho uno o más alcoholes se producen en la etapa (a) y una cantidad esencialmente mayor de ácido se produce en la etapa (a) respecto a la cantidad de alcohol producido en la etapa (a) .

7. El método según la reivindicación 1, en donde el ácido producido en la etapa (a) es acetato y el alcohol correspondiente es etanol.

8. El método según la reivindicación 1, que comprende además añadir un ácido al biorreactor durante la etapa (a) y/o etapa (b) y convertir dicho ácido añadido a su alcohol correspondiente.

9. El método según la reivindicación 1, en donde la etapa de perturbación se lleva a cabo por una o más de:

a. ajustar el pH de un medio nutriente líquido que contiene el cultivo microbiano;

b. ajustar el potencial redox abierto de un medio nutriente líquido que contiene el cultivo microbiano;

c. añadir un segundo ácido al biorreactor;

d. añadir uno o más agentes reductores al biorreactor;

e. ajustar la concentración de CO en un medio nutriente líquido que contiene el cultivo microbiano;

f. ajustar la presión parcial de CO en el biorreactor.

10. El método según la reivindicación 1, que comprende además llevar a cabo la etapa (a) en un primer biorreactor y la etapa (b) en un segundo biorreactor.

11. El método según la reivindicación 1, en donde el sustrato que comprende CO comprende al menos 15% a aproximadamente 100% de CO en volumen.

12. El método según la reivindicación 9, en donde la etapa de perturbación comprende la adición de un segundo ácido y el ácido se selecciona del grupo que consiste en formiato, acetato y mezclas de los mismos.

13. El método según la reivindicación 9, en donde la etapa de perturbación comprende la adición de un agente reductor y el agente se selecciona del grupo que consiste en ditionita sódica, cisteína, sulfuro sódico y mezclas de los mismos.

14. El método según la reivindicación 9, en donde la etapa de perturbación comprende ajustar la concentración de CO aumentando la concentración de CO en el medio nutriente líquido en al menos 1 mmol.

15. El método según la reivindicación 9, en donde la etapa de perturbación comprende ajustar la presión parcial de CO aumentando la presión parcial en al menos (15 psi) 1, 03 × 105 Pa.